一种基于两级反应的污水生物除氮反应器的制作方法

本发明涉及一种污水生物除氮反应器，属于污水处理技术领域。

背景技术：

流化床反应器是通过液体的流态化状态使液体中的固体颗粒在液体中保持悬浮状态，以达到强化传质的目的。实现流态化的能量通常由高速流动的液体或气体提供。由于流化床具有传质效果好，结构简单等优点已经广泛应用于废水处理过程。其主要设计参数是床层膨胀比、适宜的流体速度、汽固两项的密度差等。由于流化床的流态化能量多数由气体提供，其在好氧过程中应用较普遍，而在厌氧过程中的应用受到限制。

滴流床是固定床的一种，特点是液体在床层表面形成细流而通过床层向下流动。虽然床层未能完全浸没于液体中，但纤维体床层可以处于饱和状态。固定床反应器的特点是可以反复利用床层和床层表面附着的生物体，结构简单，易于设计和加工，被广泛应用于厌氧工艺过程。

自从厌氧氨氧化反应被荷兰科学家发现以来，一直是污水生物处理领域里的研究热点。与传统生物脱氮工艺相比其具有无需外加有机碳源、无需通氧和动力消耗低等优点，但其对环境严格的厌氧要求和繁殖率较低等特点也对其相关工艺过程的设备设计要求较高。

目前世界范围内厌氧氨氧化及其相关脱氮工艺先后取得了一定的进展，如半硝化-厌氧氨氧化工艺和短程脱氮-厌氧氨氧化的两级工艺。但两级工艺的设备成本、占地空间、能源消耗等均较高。此外也有学者开发了将半硝化与厌氧氨氧化合二为一的单级工艺，但普遍存在脱氮效率低、启动周期长、反应条件难控制等问题。

技术实现要素：

为弥补现有技术的不足，本发明提供一种污水生物除氮反应器，在充分利用了流化床传质效率高，滴流床重复利用生物质优点的同时，满足了两种反应对氧浓度的不同需求，还减少了生物菌体流失并降低了设备能量投入。

本发明的技术方案如下：一种污水生物除氮反应器，为流化床和滴流床组成的连通一体结构，反应器底部设有支腿，所述的反应器外均环设电加热带；所述的流化床内填充限氧载体，所述限氧载体的上方为气液分离器；所述的流化床底部为空气进口，所述的空气进口处设有气体分布器，所述流化床的一侧设有为污水进口；所述的滴流床内填充厌氧载体，所述厌氧载体的上方为污水分布器，所述污水分布器连接溢流沿，所述溢流沿的上方使用密封盖密封，所述厌氧载体的下方为污水区，所述的污水区一侧设有污水出口；所述的限氧载体和厌氧载体挂有厚度为0.2-0.8毫米的生物膜。

进一步的，所述的厌氧载体为无纺布。

进一步的，所述的限氧载体和厌氧载体体积填充率为50％。

进一步的，所述的限氧载体上的生物膜a是在半硝化反应器中经过40天挂膜培养得到，所述的厌氧载体上的生物膜b是在厌氧氨氧化反应器内经过200天挂膜培养得到。

进一步的，所述的气液分离器为四棱锥台结构，锥面设有开孔。

本发明同时请求保护利用上述污水生物除氮反应器进行除氮的方法，包括如下步骤：

s1.污水经污水进口进入流化床区，生物膜a对污水中氨氮进行氧化反应，反应方程式如下式(ⅰ)：

2nh4⁺+3o2→2no2^-+4h⁺(ⅰ)；

s2.经气体分布器进入的空气将限氧载体和污水体流态化，并由气液分离器溢出；调节流化床内的ph至7.5-8.0，及溶解氧浓度低于2.0mg/l，将污水中50-55％的氨氮氧化，氧化反应后的污水在流化床顶部经过溢流沿、污水分布器进入滴流区，在滴流区生物膜b的作用下，污水中剩余的氨氮和步骤(1)氧化反应生成的亚硝氮反应，反应方程式如下式(ⅱ)：

经过(ⅱ)式反应后的污水在污水区积累，从污水出口溢流出。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明将流化床和滴流床的结构在同一个反应器内结合，营造适用于不同菌种生长的环境，运行效果良好。

(2)在半硝化和厌氧氨氧化不同区域植入不同载体，首次在流化床区使用限氧载体，实现限氧区的流态化。在滴流床区使用常见的无纺布填料，简单易得，易于形成固定床。

(3)反应器外采用电加热带包被，可根据外界温度变化选择使用或撤下，便于灵活调整。

(4)在流化床出水口设置溢流区，可以对限氧区内随水流带出的污泥在此区域进行沉淀，定期收集，减少了污泥流失。

(5)在滴流区顶部设置污水分布器，保证水流可以均匀分散至固定床区的各个部分，保证反应均匀进行。

(6)在厌氧区顶部设密封盖，营造厌氧环境，保证厌氧反应顺利进行。

(7)在流化区上方设置气液分离器，在保证气泡溢出的同时液体和限氧载体不会溢出。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的a-a剖面图；

图3为气液分离器的结构示意图；

图4为图3的b-b剖面图；

图5为溢流沿的结构示意图；

图6为图5的c-c剖面图；

图7为挂膜培养后的载体示意图；

图8为载体的原始状态图；

其中：1、污水出口，2、厌氧载体，3、污水分布器，4、溢流沿，5、密封盖，6、气液分离器，7、限氧载体，8、电加热带，9、气体分布器，10、支腿，11、空气进口，12、污水进口。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明，本发明所述原料若无特殊说明，均市售可得，作为优选，所述限氧载体购自大连市宇都环境有限公司，限氧载体为圆柱状颗粒，内部有十字肋结构。密度与水接近为0.95x10³kg/m³，颗粒直径10mm，比表面积500m²/m³。

如图1-图6所示，一种污水生物除氮反应器，为流化床和滴流床组成的连通一体结构，反应器底部设有支腿10，所述的反应器外均环设电加热带8；所述的流化床内填充限氧载体7，所述限氧载体7的上方为气液分离器6；所述的流化床底部为空气进口11，所述的空气进口11处设有气体分布器9，所述流化床的一侧设有为污水进口12；所述的滴流床内填充厌氧载体2，所述厌氧载体2的上方为污水分布器3，所述污水分布器3连接溢流沿4，所述溢流沿4的上方使用密封盖5密封，所述厌氧载体2的下方为污水区，所述的污水区一侧设有污水出口1；所述的限氧载体7和厌氧载体2挂有厚度为0.2-0.8毫米的生物膜。所述的厌氧载体2为无纺布。所述的限氧载体7和厌氧载体2填充率为50％。所述的限氧载体7上的生物膜a是在半硝化反应器中经过40天挂膜培养得到，膜内富集好氧氨氧化菌(aob)。所述的厌氧载体2上的生物膜b是在厌氧氨氧化反应器内经过200天挂膜培养得到，膜内富集厌氧氨氧化菌(anammox)。所述的气液分离器6为四棱锥台结构，锥面设有开孔。

利用上述污水生物除氮反应器进行除氮的方法，包括如下步骤：

s1.污水经污水进口12进入流化床，生物膜a对污水中氨氮进行氧化反应，反应方程式如下式(ⅰ)：

2nh4++3o2→2no2^-+4h⁺(ⅰ)；

s2.经气体分布器9进入的空气将限氧载体7流态化，调节流化床内污水的ph为7.5-8.0，氧化反应后的污水在流化床顶部经过气液分离器6、溢流沿4进入滴流区，在滴流区生物膜b的作用下，将氨氮和亚硝氮反应，反应方程式如下式(ⅱ)：

经过(ⅱ)式反应后的污水在污水区积累，从污水出口1溢流出。

利用上述污水生物除氮反应器进行除氮的具体工艺步骤及运行效果如下：

如图1所示，污水生物除氮反应器采用壁厚为5mm的有机玻璃板粘贴加工而成。外形横截面尺寸为225×110mm的长方形，中间设置隔板，把反应器分成流化床区和滴流床区。在两个不同区域植入两种载体，两种载体原始状态见图8(a为限氧载体，b为厌氧载体)。限氧载体在半硝化反应器内经过40天挂膜培养，内表面有生物膜附着，生物膜厚度在0.2～0.8mm之间，如图7-a所示；无纺布载体在厌氧氨氧化反应器内经过200天的经挂膜培养，厌氧氨氧化生物膜在纤维之间附着生长，如图7-b所示。在右半部分流化床区装填限氧载体，在左半部分滴流床区装填无纺布载体，填充率均为50％。反应器总高400mm。流化床区是好氧区域，在底部安装曝气软管，定时定量向反应器内曝入空气。滴流床区为厌氧区域，顶部填加密封盖阻隔空气。污水进口设在反应器右侧底部。含氨氮污水流入反应器内，限氧载体在空气流的作用在了实现流态化，附着在载体上的生物膜对氨氮进行氧化反应，采用控制溶解氧浓度、ph值等操作参数，使污水中一半左右的氨氮被氧化成亚硝氮，发生半硝化反应，之后污水会在流化床区顶部溢流口处经溢流沿4进入污水分布器3，均匀分布后流入滴流床内，在向下流动的过程中，由附着在无纺布载体上的厌氧氨氧化污泥作用，将氨氮和亚硝氮反应生成氮气和水。

经过两个反应的污水在滴流床底部累积，当液面高度到达出水口位置时溢流出反应器，自污水出口1排出，污水处理过程结束。

本发明反应器的进水从进水槽经蠕动泵进入反应器的流化床区中，通过控制蠕动进水泵的转速从而调节废水在反应器内的水力停留时间。在反应器的外层缠绕可控温低温电加热带8，使电加热带8覆盖反应器下半部分筒体，保证反应器内的温度维持在35±2℃。反应器内通过加入nahco3溶液使废水的ph值保持在7.5-8.0。反应器底部的曝气装置通过外部连接的曝气泵进行间歇曝气。

对反应器流化床区限氧区进行曝气以保证为流化床区的反应器内半硝化反应供氧。半硝化反应为限氧反应，适宜的溶解氧浓度低于2.0mg/l，而污水流入左侧厌氧区也会带入一定溶解氧，但厌氧氨氧化反应是极度厌氧的，对氧浓度的变化非常敏感，故因此反应器运行时，在反应器内筒的底部要间歇曝气，周期为1h，每次曝气时间为0.5h，曝气流量为100ml/l，静止0.5h。

反应器内运行参数

实施例2反应器运行效果

本发明反应器共运行约120天，下面对运行的各个阶段工作过程进行说明：

第一阶段(0-50天)，进水氨氮浓度为50～100mg/l，亚硝氮浓度为30mg/l，经过15天左右的适应期，出水的氨氮(nh4⁺-n)、亚硝氮(no2^--n)浓度均小于2mg/l，说明aob菌和anammox菌已基本适应反应器内的环境。

从第16天开始，将进水nh4⁺-n浓度提高至100mg/l，no2^--n浓度提高至50mg/l，反应器运行至30天时，出水nh4⁺-n浓度降低至8mg/l，表明反应器内aob菌与anammox菌活性基本恢复。反应器运行30天至40天内，进一步将进水nh4⁺-n和no2^--n浓度分别提高至200mg/l和100mg/l时，尽管出水no2^--n保持较低的浓度，但是出水nh4⁺-n浓度一直较高，达到70mg/l，表明氮负荷超出了反应器内微生物的处理能力。反应器运行30天至40天内，将进水nh4⁺-n调至100mg/l、no2^--n浓度调至50mg/l，系统脱氮性能逐步恢复，出水nh4⁺-n浓度降低至10mg/l。

在反应器运行的第二阶段时(51-120天)，在进水中停止投加nano2，只加入nh4⁺-n的情况下，逐步启动半硝化-厌氧氨氧化联合工艺，并采用降低hrt的方法提高总氮负荷。在反应初期，hrt为50h，在52天后，将hrt降低至31h，出水nh4⁺-n和no2^--n浓度分别为5.89mg/l和12.24mg/l。在69天后，将hrt进一步调低至16h，出水nh4⁺-n浓度和no2^--n浓度分别为6.93mg/l和14.29mg/l。在第70天至120天运行的过程中，hrt保持在16h不变的基础上，逐步提高进水nh4⁺-n浓度至200mg/l，反应器出水nh4⁺-n浓度和no2^--n浓度分别为18.98mg/l和10.43mg/l，半硝化-厌氧氨氧化联合工艺得以稳定运行，标志着反应器内半硝化-厌氧氨氧化联合脱氮效果良好。

总氮负荷和总氮去除率如下：

反应初期，总氮容积载荷为0.1kg/(d﹒m³)，此时由于环境改变生物膜内的aob菌和anammox菌活性受到抑制总氮去除率较低，只有30％左右。随着反应的进行，提高进水nh4⁺-n浓度总氮容积负荷也逐步提高，在第52天时，氨氮载荷达到0.25kg/(d﹒m³)。在反应器运行的第一阶段，不断调整进水成分和浓度对反应器内aob菌和anammox菌活性造成一定的影响，造成总氮去除率上下波动较大。在反应器运行的第二阶段，逐步稳定进水配比，在进水中只有nh4⁺-n的情况下，逐步降低hrt，总氮容积负荷由0.25kg/(d﹒m³)逐步升高至0.35kg/(d﹒m³)，总氮去除率也保持平稳上升的状态，在系统运行至120天时，总氮容积负荷达到0.7kg/(d﹒m³)。总氮去除率达到75％。

本发明在同一反应器中应用流化床和滴流床相结合的结构实现了半硝化-厌氧氨氧化同步联合废水脱氮工艺。反应器成功启动并运行120天以上，反应器进水nh4⁺-n浓度为200mg/l时，出水nh4⁺-n浓度和出水no2^--n浓度分别低于20mg/l和10mg/l。反应器进水氮负荷为0.7kg/(d﹒m³)情况下，总氮去除率达到75％。

本反应器的两个区域很好地实现限氧区和厌氧区的分隔，为限氧菌和厌氧菌分别提供适宜的生长环境，可提高不同菌种的活性，从而实现部分硝化和厌氧氨氧化的不同功效，通过控制曝气方式、曝气量、曝气时间等参数，可调控半硝化-厌氧氨氧化同步联合工艺性能，实现废水在一体化反应器中较好的脱氮效果。